Satellitenortung und Navigation

Transkript

1 Werner Mansfeld Satellitenortung und Navigation Grundlagen und Anwendung globaler Satellitennavigations Systeme 2., überarbeitete und ergänzte Auflage Mit 275 Abbildungen und 71 Tabellen vieweg

2 VII Vorwort V Grundlagen Einführung Grundprinzip kooperativer Funkortungssysteme Orten durch Messung des Winkels in einer Ebene Orten durch Messung der Entfernung Orten durch Messung der Entfernungsdifferenz Orten durch Messung der Entfernungsänderung Übersicht zur Konzeption von Satellitenortungssystemen Allgemeine Parameter Verwendete Ortungsverfahren Satellitenbahn Keplersche Gesetze Bahnparameter Sichtbarkeitsbereich Bezugssysteme und Koordinaten Kartesisches Koordinatensystem Vereinbartes raumfestes Bezugssystem Vereinbartes erdfestes Bezugssystem Elliptisches Bezugssystem Geoid Geodätisches Weltsystem Zeitsysteme Sternzeit und Weltzeit Dynamische Zeit Atomzeit Koordinierte Weltzeit UTC Frequenz- und Zeitnormale Quarzoszillatoren Atomfrequenznormale Elektromagnetische Wellen Struktur der Welle Ausbreitungsgeschwindigkeit Frequenzbereiche für Satellitenortungssysteme Richtantennen Ausbreitungserscheinungen Freiraumausbreitung Reflexion Brechung (Refraktion) in der Troposphäre und Ionosphäre Beugung Absorption Streuung Wellenarten Beurteilung der zu wählenden Frequenz 68

3 VIII 1.10 Informationsübertragung Verfahren zur Übertragung und Gewinnung der Ortungsinformation Formen des Basisbandsignals Multiplexverfahren Modulation des hochfrequenten Trägers Spezielle Übertragungsverfahren Frequenzumsetzung Doppler-Frequenzverschiebung Fehlermaße in der Ortung Fehlerarten Fehlermaße der Standlinie Fehlermaße des Standortes 90 2 Satellitensysteme für Ortung und Navigation TRANSIT Einführung Systembestandteile Ortungsverfahren Genauigkeit und Fehlerursachen Perspektive Cikada NAVSTAR-GPS GLONASS EUTELTRACS Einführung Systembestandteile Ortungsverfahren Perspektive QA-SPR BNS (China) GALILEO INMARSAT Spezielle Satellitenortungssysteme Starfix SECOR DORIS PRARE Global Positioning System (GPS) Einführung Segmente des Systems Raumsegment Kontrollsegment (Bodensegment) Nutzersegment Satellitensignale Übersicht Hochfrequenz-Träger Ortungssignale Navigationsmitteilung 127

4 IX Sendesignale GPS-Systemzeit Verfügte Veränderungen von GPS-Informationen Leistungsbilanz der Funkverbindung zwischen Satellit und Nutzer Messvorgang - Empfang und Aufbereitung der Satellitensignale Erfassen der Satellitensignale Korrelationsfunktion Grundkonzeption der GPS-Empfänger Messsignal-Verarbeitung und Auswertung Beobachtungsgrößen Auswertung der Messgrößen Genauigkeit und genauigkeitsbeeinflussende Faktoren Fehlermaße Fehler und Fehlerursachen bei der Messung der Pseudoentfernung Fehler und Fehlerursachen durch hochfrequente Störungen Geometrisch bedingte Positionsfehler Fehlerübersicht Sichtbarkeit und Verfügbarkeit Begriffsbestimmung Sichtbarkeit der GPS-Satelliten Verfügbarkeit der GPS-Satelliten Auswirkung der Verringerung der Anzahl der verfügbaren Satelliten Integrität Übersicht zu der mit GPS - Satelliten Block II erzielbaren Genauigkeit Genauigkeit bei GPS Genauigkeit bei Differential-GPS Modernisierung von GPS Zielstellung und Umfang Struktur und Inhalt der Dienste und Signale Angewendete Modulation Raumsegment Kontrollsegment (Bodensegment) Erwartete Ergebnisse der Modernisierung Ergänzungen zu GPS, GLONASS und anderen Satellitenortungssystemen Systeme des Differential-Messverfahrens Differential-GPS (DGPS) Differentialverfahren zur hochgenauen Entfernungs- und Positionsbestimmung, insbesondere im Vermessungswesen DGPS-Referenzstationen verschiedener Dienste des Verkehrswesens Weitbereich - DGPS (WADGPS) Pseudolit Integritätsprüfung Empfängerautonome Integritätsprüfung (RAIM) GPS-Integritätskanal Eurofix Einführung Funktionsprinzip 238

5 X Signale und Modulationsschema Datenübertragungsformat Eurofix-Station Genauigkeit Perspektive Systeme der USA zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit von GPS für die Luftfahrt Local Area Augmentation System (LAAS) Wide Area Augmentation System (WAAS) EGNOS Einführung Systembestandteile und Funktionsprinzip Navigationsmitteilungen von EGNOS Auswertung der EGNOS-Daten Erprobung Global Navigation Satellite System (GLONASS) Einführung Segmente des Systems Raumsegment Kontrollsegment Nutzersegment Satellitensignale Hochfrequenz-Träger Ortungssignale Navigationsmitteilung Sendesignale Leistungsbilanz Messvorgang und Messsignalverarbeitung Genauigkeit Kombinierte Nutzung von GLONASS und GPS Vergleich von GPS und GLONASS Ergebnisse der kombinierten Nutzung von GLONASS und GPS Weiterentwicklung von GLONASS Internationale Aktivitäten zur Weiterentwicklung der Satellitenortungs-und-navigationssysteme Allgemeine Begründung für eine Weiterentwicklung GNSS 1. Stand der Technik GNSS 2. Planungs- und Entwicklungsstand Planung und Entwicklung weiterer Satellitenortungssysteme QZSS in Japan BEIDOU in China Galileo Einführung Technische Forderungen und Merkmale Technische Forderungen 280

6 XI Besondere Merkmale Systemarchitektur Globale Komponenten Regionale Komponenten Lokale Komponenten Segmente Raumsegment Bodensegment (Kontrollsegment) Nutzersegment Galileo-Dienste (Service) Aufgaben und Leistungen der Dienste Erzielbare Positionsgenauigkeit bei den Diensten Frequenzbänder der Dienste Signale und Frequenzen Internationale Frequenzzuteilung Navigationssignale Unterstützung des Such- und Rettungsdienstes Bisherige Notrufverfahren Notruf über Galileo Galileo - Zeitplan Übersicht zur zivilen Anwendung der Satellitenortungs- und - navigationssysteme GPS-Anwendung in der zivilen Luftfahrt Einsatzbedingungen Einsatzempfehlungen für Landeanflug Integration der Hauptfunktionen C, N, S Bordempfangsgeräte Markt GPS-Anwendung in der Seefahrt Einsatzbedingungen Bordempfangsgeräte Markt GPS-Anwendungen im Landverkehr Einsatzbedingungen Aufgabenstellung und Lösungen für den Straßenverkehr Markt Anwendung von GPS im Vermessungswesen Aufgabenbereiche für das Vermessungswesen mit Hilfe von GPS Messverfahren Referenzstationsnetz in der Bundesrepublik Deutschland Kartographie Sonstige Anwendungsbereiche der Satelliten-Ortungssysteme Wissenschaft und Forschung Wirtschaft und Industrie Land-und Forstwirtschaft Nachrichtentechnik Touristik 319

7 XII 9 Informationsquellen GPS-Informations- und Beobachtungssystem (Abkürzung GIBS) Aufgabenstellung Verfügbare Informationen Form der Informationserteilung GPS-Bahndaten Berechnungen zum Raumsegment Internet als ergänzende Informationsquelle (Stand vom ) 323 Anhang 325 Abkürzungen 328 Literaturverzeichnis 333 Sachwortverzeichnis 343